非均匀金属蒸气大电流脉冲辉光放电过程的机理研究

Auto glow discharge assistant electron beam evaporation, as a new technique of plasma assistant electron beam evaporation coating, has greatly broadened its application. Lower discharge current and the ionization rate are the major limits of the technique and have caused the bad combination strength and uniformity of the film, hindered to get good mechanical properties of the treated samples. Since the film combination strength and uniformity are affected by the discharge current and ionization rate, how to improve these has become one of the key techniques to be resolved for auto glow discharge assistant electron beam evaporation technique..The discharge process of auto glow discharge assistant electron beam evaporation technique is studied in the project. Theoretical and experimental studies have been carried out to overcome the low discharge current and ionization rate. Fast electrons, slow electrons and ions of the metal vapor are calculated to research their motions and collisions under the action of the electric and magnetic fields. The influence of the discharge parameters on the discharge current and ionization rate is studied deeply in order to improve them effectively of the auto glow discharge process. This study will lay the theoretical and experimental basis for the auto glow discharge assistant electron beam evaporation technique.

自体辉光放电辅助电子束蒸镀技术是一种新的等离子体辅助电子束蒸发镀膜工艺，拓展了电子束蒸镀的应用范围。放电电流和离化率较低是该技术现存的主要技术问题，这使得由该技术获得的薄膜结合力和均匀性都较差，无法满足材料改性后机械性能提高的需求。因此，如何提高非均匀金属蒸气大电流脉冲辉光放电的放电电流和离化率成为自体辉光放电辅助电子束蒸镀技术急需解决的关键问题。.项目以自体辉光放电辅助电子束蒸镀技术的放电过程为研究对象，针对该技术放电电流和离化率较低的问题，对金属蒸气大电流脉冲辉光放电过程进行理论和实验研究。结合蒙特卡罗和Particle-in-Cell（PIC）方法分别对金属蒸气中的快电子、慢电子和离子在电场和磁场作用下的运动以及碰撞情况进行数值模拟，分析金属蒸气放电过程中放电参数对放电电流和离化率的影响机理，提出提高放电电流和离化率的有效措施，为自体辉光放电辅助电子束蒸镀技术奠定理论和实验基础。

自体辉光放电辅助电子束蒸镀技术是一种新的等离子体辅助电子束蒸发镀膜工艺，拓展了电子束蒸镀的应用范围。金属蒸气的离化率和金属等离子体密度较低是该技术现存的主要技术问题，这使得由该技术获得的薄膜结合力和均匀性都较差，无法满足材料改性后机械性能提高的需求。.本项目以自体辉光放电辅助电子束蒸镀技术的放电过程为研究对象，针对该技术离化率和等离子体密度较低的问题，对金属蒸气大电流脉冲辉光放电过程进行理论和实验研究。结合蒙特卡罗和Particle-in-Cell（PIC）方法分别对金属蒸气中的快电子、慢电子和离子在电场和磁场作用下的运动以及碰撞情况进行数值模拟，获得了辉光放电过程中电子和离子的分布规律，分析了金属蒸气放电过程中放电参数对金属蒸气辉光放电的影响机理。.对自体辉光放电辅助电子束蒸镀过程进行了实验研究，测量结果表明利用自体辉光放电机理能够在真空室内部获得金属等离子体。同时，对真空室内的Ti离子 和Ti原子的发射强度光谱随射频辉光放电参数的变化规律进行了研究。结果表明，随着射频功率和电子束流的提高，Ti离子的发射强度增加；射频功率和电子束流的增加，离子束流密度增加。当射频功率由90W增加240W时，径向距离4cm处的离子束流密度增加两倍，由8×109/cm3 up 增加到 1.7×1010/cm3；当电子束流由170mA提高到230mA时，径向距离10cm处的离子束流密度增加了接近5倍。同时，由于放电效应和由气压差产生的扩散力的共同作用，较大径向距离处的离子束流密度的增加比例明显高于中心区域的增加趋势。